第10章---盾构法隧道结构

第10章盾构法隧道结构本章内容衬砌形式和构造衬砌圆环内力计算衬砌断面设计1234隧道防水及其综合处理盾构新型管片衬砌形式简介算例56盾构隧道简介•盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。•头部可以安全地开挖地层,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。•盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。适用条件•在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，盾构隧道的历史•用盾构法修建隧道开始于1818年，法国工程师布鲁诺尔；•1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道；•近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；•我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构；•上海市延安东路过江道路隧道使用11.0m直径的大盾构；1-1(切口环)；2-2(支承环)；3-3(纵剖面)通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等四大部分组成。1）盾构壳体•盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成，并由外壳钢板连成整体。•切口环：开挖；上下宽度可以等值、也可以不等值，甚至是活动的。•容纳各种专门的挖土设备。•支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构。•水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度，水平承受拉力，竖直承受压力。•盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。2）推进系统•由盾构千斤顶和液压设备组成，上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。•盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的；3）拼装系统•衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的主要设备，以油压系统为动力，一般举重臂均安装在支承环上。•举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧道中轴线作往复运动。•完成这些运动的精度应该保证待装配的管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓孔对齐，以便螺栓固定。4）出土系统•出土方式一般有三种：•（1）有轨运输：皮带运输机－矿车－洞口－垂直起吊至地面。•（2）无轨运输：自卸卡车•（3）管道运输：混合泥浆，压力输出，出土连续化1.衬砌形式和构造一、衬砌结构作用（一）在施工阶段中。作为施工临时支撑用，并承受盾构千斤顶顶力以及其它施工荷重。（二）竣工后，作为隧道永久性支撑结构，支承材砌结构周围的水、士压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷重。（三）防止泥、水渗入，满足隧道结构的预期使用要求。1.概述（四）在外层装配式衬砌结构内现浇棍凝土或钢筋混凝土内衬，这对干隧道防水、防锈蚀，修正隧道施工误差以及用作隧道内部装饰具有发挥进一步作用。如果在二层衬砌间的连接结构措施得到满足，则二层衬砌可视作整体性结构而共同抵抗外荷载。衬砌拼装•隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼装。•组成：铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制成的管片或砌块。•结构受力及使用要求决定盾构及衬砌结构形式并决定其拼装方法。拼装方法•重臂拼装或拱托架拼装；•通缝拼装（管片的纵缝环对齐）或错缝拼装；•螺栓联结的管片或无螺栓联结的砌块等。•按其程序可分为“先纵后环”和“先环后纵”。•采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上，左右交叉，最后封顶成环。装配式圆形衬砌构造•“管片”是建成隧道后的永久性支撑结构，应满足强度要求、使用要求；•施工阶段须装配简便、容易替换、承受盾构千斤顶顶力及其它施工荷载。（一）接材料及形式分类：1．钢筋混凝土管片1）箱形管片衬砌的分类及其比较2）平板形管片衬砌的分类及其比较2．铸铁管片衬砌的分类及其比较3．钢管片4.复合管片2.衬砌的分类及其比较（二）按结构型式分类：1．管片适用于不稳定地层内各种直径的隧道内的，接缝间通过螺栓予以连接。由错缝拼装的钢筋混凝土衬砌环近似地可视为一匀质刚性圆环，接缝由于设置了一排或二排的螺拴可承受较大的正、负弯矩。2．砌块一般适用于含水量较少的稳定地层内。由于隧道衬砌的分块要求，使由砌块拼成的圆环（超过三块以上）成为一个不稳定的多铰圆形结构。衬砌结构在通过变形后（变形量必须予限制）地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。衬砌的分类及其比较（三）按形成方式分类分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。目前我国广泛使用的是钢筋混凝土管片或砌块。衬砌的分类及其比较（四）按构造型式分类大致可分为单层及双层衬砌两种型式。修建在饱和含水软土地层内的隧道，由子目前对隧道防水（特别是接缝防水）还没有得到完善的解决；影响了使用要求，因此较多的还是选择双层衬砌结构，外层是装配式衬砌结构，内层是内衬混凝土或钢筋混凝土层。衬砌的分类及其比较10.1.3装配式钢筋混凝土管片目前出于国内外应用装配式钢筋混凝土管片较为普遍，这里着重介绍钢筋混凝土管片的构造。（一）环宽根据国内外实践经验，无论是钢筋混凝土管片或全属管片，环宽一般在300～1200mm。之间，常用的是750—900mm。衬砌的分类及其比较（二）分块单线地下铁道衬砌一般可分成6～8块，双线地下铁道衬砌可分为8～10块，小断面隧道可分为4～6块。衬砌的分类及其比较（三）封顶管片形式根据隧道施工的实践经验，考虑到施工方便以及受力的需要，目前封顶块一般趋向于采用小封顶形式、封顶块的拼装形式有两种，一为径向楔入，另一为纵向插入。衬砌的分类及其比较（四）拼装形式；圆环的拼装型式有通缝、错缝两种，所有衬砌环的纵缝环环对齐的称为短缝，而环间纵缝相互错开，犹如砖砌体一样的称为错缝。衬砌的分类及其比较10.1.4管片接头构造10.1.5其他构造衬砌的分类及其比较拼装型式•一般有通缝、错缝拼装两种。•纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理。•纵缝互相错开，对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，使圆形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点是错缝拼装容易使管片顶碎。环、纵向螺栓•环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排。•双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩。•纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力，一块管片设3~4个螺栓。•螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓。隧道衬砌结构有两个最基本的使用要求：一是满足结构强度，刚度的要求，以承受诸如水、上压力以及一些特殊使用要求的外荷载。二是提供一个能满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和洁净。上述两个要求不是相互矛盾而是密切相关连的。特别是在饱和含水软土地层中采用装配式钢筋混凝土管片结构，尤以衬砌防水的这个矛盾更为突出，与工程成功与否关系程度较大，必须予以注意。2.衬砌圆环内力计算隧道衬砌结构必须根据工程的使用要求（埋深程度、横断面几何尺寸以及其它使用要求等）所选定的隧道施工方法，隧道沿线的地层地质，水文情况进行必要的设计验算和选择。壳体应根据施工的需要尽可能薄一些。“泰沙基的这种观点在目前也有现实的指导意义。2.衬砌圆环内力计算钢筋混凝土管片的设计要求和方法（一）按造强度、变形、裂缝限制等需要分别进行验算。（二）确定衬砌结构的几个工作阶段——施工荷载阶段，基本使用荷载阶段和特殊荷载阶段，提出各个工作阶段的荷载和安全质量指标要求（衬砌裂缝宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平整度要求等）进行各个工作阶段和组合工作阶段的结构验算．2.衬砌圆环内力计算结构计算方法的选择目前装配式圆形隧道衬砌结构的计算方法大都把衬砌环看作一按自由变形的匀质（等刚度）圆环计算，而接缝上的刚度不足往往采用衬砌环的错缝拼装予以弥补。这种加强接缝刚度的处理和匀质（等刚度）圆环计算方法在饱和含水地层中的隧道衬砌计算用得较为普遍。2.衬砌圆环内力计算荷载的确定衬砌的设计不仅应满足隧道使用阶段的承载及功能要求，还要满足施工过程中的安全性要求。基本荷载——在设计时所必须考虑的荷载；附加荷载——在施工中或竣工后作用的荷载；是根据隧道的使用目的，施工条件以及周围环境进行考虑的荷载。特殊荷载——根据围岩条件、隧道的使用条件所必须特殊考虑的荷载。2.衬砌圆环内力计算表10-2（a）荷载的分类基本荷载1.地层压力2.水压力3.自重4.上覆荷载的影响5.地基抗力附加荷载6.内部荷载7.施工荷载8.地震的影响特殊荷载9.平行配置隧道的影响10.接近施工的影响11.其他表10-2（a）荷载的分类计算工况荷载种类荷载组合系数第一组合施工阶段第二组合运行阶段第三组合地震验算地面超载1.4√√√结构自重1.2√√√地层垂直水土压力1.2√√√水平水土压力1.2√√√外水压力1.2√√√道路设计荷载1.4√√√盾构千斤顶顶力1.2√不均匀注浆压力1.2√地震荷载1.3√（一）基本使用阶段（衬砌环宽按lm考虑）荷载简图见图10-92.衬砌圆环内力计算1.自重2.衬砌圆环内力计算hg2.竖向土压2.衬砌圆环内力计算iniihq13.拱背土压2.衬砌圆环内力计算2243.0412HHRRG3.拱背土压2.衬砌圆环内力计算2243.0412HHRRG4.地面超载20KN/m2，可累加到竖向土压项中。2.衬砌圆环内力计算5.侧向均匀土压2.衬砌圆环内力计算245tan2245tan21cqp6.侧向三角形主动2.衬砌圆环内力计算245tan222HRp7.侧向土壤抗力按温克尔局部变形理论计算，抗力图形呈一等腰三角形，抗力范围按与水平直径上下呈45º考虑。2.衬砌圆环内力计算ykPk4421045.0242HHkREJRqppqy8.水压按静水压力考虑。2.衬砌圆环内力计算9.拱底反力2.衬砌圆环内力计算wHHRRRgqP22146.0式中符号同前。用目前土力学理论和有关公式计算隧道外围的荷载情况，计算结果往往是较为粗糙，有时甚至会出现与实际外荷情祝截然相反的情况。较为可行的办法是先作一般的理论计算，再进行实地的现场量测，根据试验结果对原来设计进行必要的修改。2.衬砌圆环内力计算（二）施工阶段：隧道衬砌结构在到达基本使用阶段前，已经历了一系列的施工阶段荷载的考验。衬砌结构在施工阶段有可能碰到比基本使用阶段更为不利的工作条件，产生了极为不利的内力状态。导致出现了衬砌结构的开裂、破碎、变形、沉陷和漏水等严重情况。这种情况尤以在盾构推进过程为甚，必须进行现场观测和相应的附加验算，并提出改进措施。2.衬砌圆环内力计算1．管片拼装钢筋混凝土管片拼装成环时，对纵向接缝拧紧螺栓，由于管片制作精度不高，环面接触不平，住往在拧紧螺栓时，使管片局部出现较大的集中应力，导致管片开裂和存在着局部内应力。2.衬砌圆环内力计算2．盾构推进由于制作和拼装的误差管片的环缝面往往是参差不平的。当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂和顶碎。这种现象在目前往往被看作为衬砌设计的～个重要的控制因素。2.衬砌圆环内力计算3．衬砌背后压注为了改善衬砌结构的工作条件和防止地面出现大量的沉降量，在衬砌背后的建筑空隙内注以水泥浆或水泥砂浆等材科。在软土地层中注浆材料常不是均匀分布在衬砌四周，而仅是局部聚集在注浆孔的～定范围内，过高的注浆压力常引起圆环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块管片也会向内滑移，为了控制这种不利工作条件的出现，必须对注浆压力进行一定的控制。2.衬砌圆环内力计算4．衬砌环刚出清尾的初期衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧压却因某种原因未能及时作用，这时衬砌可能处于比基本使用阶段更为不利的工作条件。衬砌结构在施工阶段引起的不利工作条件的因素很多，难以事先估计。目前一般的处理方法是从实地观测和提出相应改进措施外，通常采用一个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的一定安全度。2.衬砌圆环内力计算（三）特殊荷载阶段衬砌结构除对上述两个工作阶段进行结构验算外，根据使用需要还得进行特殊荷载阶段的验算，这种特殊